《汽轮机原理》实验指导书
罗向龙
广东工业大学材料与能源学院
二零零七年七月印刷
实验指导书
实验项目名称：汽轮机本体结构及单级冲动原理分析
实验项目性质：专业课实验（演示性）
所属课程名称：汽轮机原理
实验计划学时：2学时
一、实验目的
1．理解汽轮机单级叶轮冲动作用原理；
2．理解单级冲动式汽轮机作用工质能量转换过程；
3．对汽轮机的主要组成部分、本体结构有感性认识，理解汽轮机各组成部分的主要功能；
4．理解叶片强度、叶片振动和机组振动的基本概念以及引起机组振动的主要原因；
5．掌握转子的临界转速的物理意义；
6．熟悉模拟汽轮机通电转动的操作过程；
7．通过灯光模拟工质的流动，熟悉从高压缸经中压缸到低压缸的蒸汽流动方向。

二、演示实验原理
由力学可知，当一运动物体碰到另一静止的或运动速度较低的物体时，就会受到阻碍而改变其速度，同时给阻碍它的物体一个作用力，这个作用力称为冲动力。

根据冲量定律，冲动力的大小取决于运动物体的质量和速度变化，质量越大，冲动力越大；速度变化越大，冲动力也越大。

若阻碍运动的物体在此力作用下产生了速度变化，则运动物体就做了机械功。

在汽轮机中，如图1冲动式汽轮机工作原理图,蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。

高速汽流流经动叶片3时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮2旋转做功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。

这种利用冲动力做功的原理，称为冲动作用原理。

单级冲动式汽轮机工作原理图如图2。

蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力由p0降至p1，流速从c0增至c1，将蒸汽的热能转变为动能。

蒸汽进入动叶栅后，改变流动方向，产生了冲动作用力使叶轮旋转做功，将蒸汽动能转变为转子的机械能。

蒸汽离开动叶栅的速度降至c2。

由于蒸汽在动叶栅中不膨胀，所以动叶栅前后压力相等，即p1=p2。

图1. 冲动式汽轮机工作原理图图2单级冲动式汽轮机工作原理图
汽轮机由转动部分和静止部分所组成。

汽轮机转动部件的组合体称为转子，它包括主轴、叶轮(或转鼓)、动叶栅、联轴器及装在轴上的其他零件。

蒸汽作用在动叶栅上的力矩，通过叶轮、主轴和联轴器传递给发电机或其他设备，并使它们旋转而做功。

汽轮机的静止部分包括基础、台板(机座)、汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承等部件，但主要是汽缸和隔板。

汽轮机转子在高温蒸汽中高速旋转，不仅要承受汽流的作用力和由叶片、叶轮本身离心力所引起的应力，而且还承受着由温度差所引起的热应力。

转子（汽轮机所有转动部位的组合）上的叶轮是一种圆盘形的零件，它一般由轮缘、轮体(轮面)和轮壳三部分组成。

轮缘用来固定叶片，其具体结构与叶片的受力情况及叶根形状有关，大多数轮缘具有比轮体大的截面。

轮壳是叶轮套于主轴上的配合部分，故只有套装转子才有，其结构取决于叶轮在主轴上的套装方式，为了保证轮壳有足够的强度，轮壳部分一般都要加厚。

轮体是叶轮的中间部分，它起着连接轮缘与轮壳的作用，其断面应根据受力情况来确定。

叶片通过叶根固定在叶轮上，叶根与叶轮的连接应该牢固可靠，而且应保证叶片在任何运行条件下不会松动。

同时，叶根的结构应在满足强度的条件下尽量简单，使制造、安装方便，并使叶轮轮缘的轴向尺寸为最小。

随着动叶片的圆周速度和长度的不同，其叶根所受的作用力也不同，这就需要采用不同的叶根结构型式。

由于各制造厂有不同的经验和习惯，因而叶根的结构型式很多。

不同形式的叶根在轮缘上的装配情况也不同。

叶型部分是叶片的工作部分，相邻叶片的叶型部分组成蒸汽的流道。

叶型部分有两种型式：一种是截面沿叶高方向相同的等截面叶片；另一种是截面沿叶高方向变化的扭曲叶片。

前者制造工艺简单，成本较低，但气动特性较差，适用于叶片相对高度较小的短叶片；后者气动特性较好，并具有较高的强度，但制造工艺较复杂，成本较高，适用于长叶片。

汽缸是汽轮机的外壳。

其作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开，将蒸汽包容在汽缸中膨胀做功，完成其能量转换过程。

汽缸内部装有喷嘴室、喷嘴、隔板套、隔板和汽封等静止零部件，它们与转子上相应的运动部件相配合，共同工作。

汽缸和隔板是汽轮机主要的静止部分结构。

根据机组功率的不同，汽轮机有单缸和多缸结构。

在我国，一般功率在100MW以下的汽轮机多采用单缸结构，功率在100MW以上的汽轮机采用多缸结构。

高、中压部分汽缸均为铸造结构，低压排汽缸除功率较小的采用铸造结构外，大功率机组多采用钢板焊接结构或小铸件和钢板焊接的组合结构。

汽缸从高压向低压方向看，大致上呈圆简形或圆锥形。

为了便于加工、安装及检修，汽缸一般做成水平对分式，即分为上、下汽缸，水平结合面一般用法兰螺栓连接，另外，为了合理利用材料和便于加工、运输，汽缸也常按缸内压力高低沿轴向分为几段，垂直结合面也采用法兰螺栓连接，由于垂直结合面一般不需拆卸，为保证其严密性，有些汽缸还在结合面的内圆加以密封焊。

汽缸的高、中压段或高中压缸，在运行中承受其内部蒸汽较高压力和较高温度的作用。

汽缸的低压段或低压缸尾部，在运动时其内部压力低于大气压力，因而承受着大气压力的作用。

由此可见，汽缸壁必须具有一定的厚度，以满足强度和刚度的要求。

水平法兰的厚度更大，以保证结合面的严密性。

汽缸的形状要尽可能简单、均匀和对称，使其能均匀的膨胀和收缩，以减少热应力和应力集中。

将汽轮机末级动叶排出的蒸汽导入凝汽器的部分称为排汽缸。

排汽缸工作在真空状态下，尺寸又很大。

设计时主要应保证它有足够的刚性，并具有良好的流动特性以回收排汽动能。

汽轮机总体布置型式包括汽缸、排汽口(又称“流”)及转轴数量和布置方式。

汽轮机总体布置型式取决于汽轮机的新蒸汽参数和汽轮机功率。

对于高参数汽轮机，其蒸汽比焓降大，级数多，进汽和排汽比容相差大，导致高压和低压部分流通截面相差悬殊，因而必须采用双缸或多缸结构。

对于大功率汽轮机，低压部分往往采用双缸或多缸，排汽口相应增加。

在总体配置上，饱和汽轮机组总是设计成高压缸和一组低压缸串级式配置，在进入低压缸前设置有汽水分离再热器，有的设计在汽水分离再热器和低压缸之间设置中压缸或中压段。

三、演示（观察）内容
第一部分：汽轮机冲动原理演示仪，如图3。

模型尺寸：直径250mm ，模型比例1：20。

主要观察点：汽轮机单级叶轮、叶片、喷嘴、支架等，用风代替蒸汽，模拟吹动轮机转动。

可以看到汽轮机在风的吹动下旋转。

图3汽轮机冲动原理演示仪
第二部分：300MW凝汽式汽轮机模型，如图4。

模型尺寸：2000*1100*1450（高）
模型比例：1：10
主要材料：有机玻璃，工程塑料等，金属轴等。

主要观察点：模型标示出的主要结构有：高、中、低压内外汽缸，排汽、进汽、抽汽管，盘车装置，轴承箱，扩压器及各级叶轮、叶片、隔板、汽封等。

前轴承箱内的危急遮断器、主油泵、弹性调速器或调速泵、错油门等部件能清楚看到，推力支持轴承上半部能揭开看到内部推力瓦块、推力盘等结构。

汽机的主汽门、调速汽门、操纵座、油动机等全部做出。

盘车装置结构逼真，转动手轮，能模拟盘车的投入，脱开状态，能随汽机一起转动。

汽轮机通电可以模拟转动，汽管中有灯光模拟工质的流动，可演示从高压缸经中压缸到低压缸的蒸汽方向。

模型布置在台面上，台座可以推动。

图4 300MW凝汽式汽轮机模型
四、实验报告要求
1．实验报告统一采用学校规定的实验报告书书写格式。

2．报告中要写清实验目的和要求、实验原理、演示观察到的内容。

3．由指导老师指定下述思考题中的一些问题进行讨论，并回答于实验报告中。

4．考核成绩由平时成绩、实验报告成绩和模拟操作成绩三部分组成。

其中：a)平时成绩应包括预习情况、出勤情况、遵守纪律情况、结果记录情况等方面，平时成绩占总成绩的20％。

b)实验报告主要检查学生所掌握的有关实验理论和
对实验中出现或可能出现的结果分析程度、问题和现象的应对措施等。

实验报告成绩占总成绩的70％。

c)模拟操作技能考核主要检查学生灵活应用能力、设计和动手能力以及分析问题和解决问题的能力，该部分成绩占总成绩的10％。

最后由实验指导老师进行综合评定，给出优、良、中、及格和不及格五个等级的成绩。

五、思考题
1．30万KW汽轮机是由哪几个汽缸组成的？
2．什么是汽轮机的级？30万KW汽轮机共有多少级？怎样分布的？蒸汽在级中的能量是怎样进行转换的？
3．蒸汽在汽缸中的走向为什么是对头布置的？
4．盘车装置起什么作用？
5．30万KW汽轮机高压缸设置双层缸的好处是什么？
6．围带、拉金起什么作用？
7．何谓速比？纯冲动级、反动级、复速级的最佳速比表达式各为什么？
8. 汽轮机的进汽排汽损失有哪些，各项损失的主要影响因素是什么？。